Ultimo esperimento

I miei giorni come grantholder (leggi post-doc) al ciclotrone stanno per finire, in pratica mi resta solo la prossima settimana, visto che quella successiva sarò in ferie. Ma la prossima sarà una settimana burocratica, con le visite mediche, i rapporti finali da scrivere, la scrivania da ripulire e il laboratorio da riordinare. Di fatto quella appena conclusa è stata la mia ultima settimana in laboratorio come ricercatore e i miei colleghi sono stati dei veri e propri angeli dedicando tempo ed energie perché potessimo portare a compimento il mio ultimo esperimento! 

Si tratta di una piccola attività sperimentale che mi era venuta in mente un mesetto fa e che ha subito trovato il consenso degli altri: misurare sperimentalmente lo spessore efficace dello strato di acqua di raffreddamento quando il target è colpito dal fascio di particelle. Non basta misurare con il calibro lo spazio adibito al passaggio dell'acqua, perché questo è particolarmente stretto e il flusso d'acqua talmente elevato che anche la formazione di piccole bolle d'aria o vuoti (cavitazione) possono ridurre lo spessore dell'acqua di raffreddamento.

In normali condizioni di lavoro, questo parametro non è particolarmente critico, che sia 2.3 o 2.1 millimetri non è poi così importante, ma ci sono alcune configurazioni dove anche un solo decimo di millimetro possono fare la differenza, provocando un aumento di parecchie decine di gradi all'interno del bersaglio.

Voglio spendere un minuto per spiegarvi questo fatto. Dovete sapere che gli ioni carichi accelerati, come i protoni, perdono velocità e quindi energia attraversando la materia, per questo motivo le linee di fascio sono mantenute sottovuoto. La perdita di energia è tutt'altro che lineare, anzi segue una caratteristica curva, detta di Bragg e di cui qui a lato riporto l'esempio di una particella alfa (nucleo di elio) che attraversa uno spessore d'aria.  Notate come lo stopping power, ovvero il potere frenante dell'aria, o in altre parole l'energia persa per unità di lunghezza, sia praticamente costante all'inizio del percorso quando l'energia della particella è ancora elevata. Poi, man mano che il proiettile rallenta, la perdita di energia diventa sempre più pronunciata.

In quelle che prima definivo normali condizioni di lavoro, l'energia dei protoni che entrano nel sistema target (struttura di contenimento, fluido refrigerante e materiale da irraggiare) è generalmente sufficientemente alta da essere in quella regione piatta. La condizione particolare è quando vogliamo avere l'energia dei protoni sul materiale molto bassa, dell'ordine di 5 o 6 MeV, in quel caso anche piccole variazioni degli spessori passivi posti di fronte può cambiare drasticamente l'esito dell'esperimento. Può succedere che il fascio si ferma tutto nell'acqua in cui è immersa la capsula oppure può succedere che l'intero fascio depositi tutta la sua restante energia all'interno del campione e allora bisogna tenere conto di un possibile forte innalzamento di temperatura.

Da qui la mia idea di misurare lo spessore vero dell'acqua, utilizzando proprio la degradazione dell'energia dei proiettili. Per farlo abbiamo usato come materiale target il titanio perché la probabilità che un protone interagisca con un nucleo di titanio andando a formarne uno di vanadio è una funzione molto sensibile dell'energia del protone. Se il protone arriva con 5 MeV allora non ci sono reazioni nucleari, se arriva con 5.1 MeV ce ne sono un po', 5.2 molte di più, ecc. Guardate il grafico qui a fianco, si chiama sezione d'urto, ma rappresenta appunta la probabilità che questa reazione avvenga e notate come è ripido proprio in corrispondenza di 5 o 6 MeV.

Per realizzare sperimentalmente questa idea avevo preparato un piano di misure, non erano particolarmente impegnative, tanti piccoli irraggiamenti in modo da poter verificare il modello che simulavo al computer e poter estrapolare dai risultati ottenuti il valore efficace dello spessore dell'acqua.

Trattandosi di una cosa non prioritaria, l'abbiamo sempre rimandata, ma come dicevo, i miei colleghi mi hanno voluto fare questo regalo dedicandomi quasi una settimana, tra misure preliminari, irraggiamenti e misure di spettrometria. Venerdì scorso avevo praticamente finito, l'esperimento si poteva già considerare concluso, ad essere precisi mancava giusto un punto per dimostrare senza ombra di dubbio che il modello era quello corretto. Così venerdì mattina abbiamo fatto la misura e prima di cominciare ho messo una croce sul grafico dove mi aspettavo sarebbe finito il risultato. Bollicine e champagne quando il punto sperimentale è andato a finire proprio lì.

A loro, ai miei colleghi, il mio grande ringraziamento e non solo per questa settimana, ma per questi tre anni ricchi di esperienze e di emozioni!